（光学专业论文）微结构光纤设计及其稀土掺杂放大器研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 中文摘要 摘要 微结构光纤是近二十年发展起来的一种新型光纤，它具有许多独特的特性， 如无穷尽单模传输、超大单模尺寸、大模场面积、可控色散特性等，可以避免高 功率时非线性光学效应的产生、提高泵浦光的耦合效率、实现低损耗单模传输。 在光通讯、高功率传输以及高功率激光放大器和激光器中有着广阔的应用前景。 本学位论文的工作是大单模面积k 9 玻璃多孔微结构光纤设计及其掺铒放大 器分析和瓣形微结构光纤掺铒与掺镱放大器分析。详细分析了多孔微结构光纤和 瓣形微结构光纤的特性，设计了几种超大单模面积、低损耗的单模微结构光纤， 建立了掺杂微结构光纤的放大模型，运用自主开发的掺杂微结构光纤放大软件， 对其掺铒和掺镱的放大特性进行了详细分析，并探讨了其在高功率激光器和放大 器中的潜在应用。 本论文的研究工作和主要成果如下： 1 将常规掺杂光纤能级速率方程与微结构光纤中本征模场归一化功率密度 分布相结合，并考虑掺杂粒子数分布，推导出适用于掺杂微结构光纤稳 态放大器的二能级和三能级速率方程和功率传输方程。开发了微结构准 二能级和三能级掺杂光纤放大器分析软件，为掺杂微结构放大器和激光 器提供一种很好的计算模型。 2 结合k 9 玻璃光纤的易加工特性和高浓度掺杂特性，设计了一种芯径为 2 0 岬的多孔微结构k 9 玻璃光纤，通过分析得到其模式折射率 咄柚= 1 。5 1 6 、单模直径d = 2 l 斗m 、模式面积氏萨3 4 5 8 岬2 等参数，同时 得到了在单模前提下其加工时的小孑l 偏差容许椭圆度容差为9 4 7 ，最 内层小孔的最大偏移量为o 1 岬。 3 详细分析了一种瓣形微结构光纤，讨论了其等效折射率分布以及色散曲 线随光纤各参数的变化关系，找到一组单模尺寸大、基模损耗小、高阶 模损耗快的瓣形光纤结构参数。在此瓣形微结构光纤中掺入铒离子，详 细分析了掺铒瓣形微结构光纤的增益分布、阈值、泵浦分布和饱和功率 等曲线，并计算了其噪声系数，通过比对相同掺杂的常规光纤，证明了 中国科学技术大学博士学位论文中文摘要 它相对于常规掺杂光纤的优点：在比常规光纤模式面积大几十倍到一百 倍的情况下，也具有与常规掺杂光纤相当的放大倍数，且噪声系数满足 光纤放大器的要求。 4 分析了掺镱瓣形微结构光纤增益分布、阈值、泵浦分布以及饱和功率等 曲线，并计算了其噪声系数。通过比较常规掺镱光纤的单位面积非线性 阈值，验证了在不产生非线性和光纤损伤的前提下单根掺镱瓣形微结构 光纤可以支持很高的激光功率，并分析了掺镱瓣形微结构光纤在高功率 激光器和放大器中的应用前景。 本论文的主要创新点包括： 1 引入掺杂微结构光纤的二能级与三能级的能级速率方程和功率传输方 程，结合有限元法和平面波展开法，设计开发了一个大尺寸掺杂微结构 光纤放大器的软件，为掺杂微结构光纤放大器和激光器提供了很好的计 算。设计了一种高掺铒浓度的k 9 玻璃光子晶体光纤放大器，其单模芯径 为2 1 6 岬，在泵浦功率为5 0 0m w 时，增益可达4 0d b 。 2 设计了掺铒和掺镱瓣形微结构光纤放大器，详细分析其放大特性。这种 光纤放大器比常规光纤的单模尺寸大几十倍以上，能支持更高的激光功 率。最高增益能达到3 7 d b 以上，最佳长度只有几米，噪声s 系数gd b 。 通过非线性阈值模型和光纤损伤阈值，讨论了瓣形微结构光纤放大器在 相干合束的应用，并分析了掺杂瓣形微结构光纤在高功率激光器和放大 器中的应用价值。 关键词：微结构光纤，瓣形光纤，高功率光纤放大器，大模式面积，单模光纤， 有限元法( f e m ) 中国科学技术大学博士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m i c r o s t n j c t u r ef i b e r s ( m f s ) 娜，ea t t r a c t e dm u c h 舭m i o n 访t h ep a u s t 帆m y y e a r s ，t h e r ea r em a i l ys p e c i a lp m p e r t i e si nm f s ，s u c h 舔e 1 1 d l e s ss i n g l e m o d e ，u l 仃a l a r g es i n g l ei i l o d ec o r es i z e ，l a 培em o d ea r e a 觚dc o n t r o l l a b l ed i s p i e r s i o n m f sc a i l a v o i dn o n l i n e a ro p t i c a le 彘c t ，i m p r 0 v ec o u p l i n ge m c i e n c yo fp 咖叩p o w e r 锄d i n a i m a i nl o wl o s so p t i c a l t m s m i s s i o ni nh i g hp u 瑚pa n ds i 掣l a lp o 、) r e r t h e r ea r e 笋e a t p o t e m i a la p p l i c a t i o n si no p t i c sc o m m u n i c a t i o n ，h i g hp o 、v e ro p t i c a lt r a n s m i s s i o na r l d l l i g l lp o w e r 孤n p l i f i e r so rl 嬲e r s t h ew o r ki nt h i sd i s s e n a t i o ni sm o t i v a t e db y “d e s i 印o fu l 慨- l 鹕e c o r es i z e s i i 培l ei n o d ek 9p 1 1 0 t o n i cc r y s t a lf i b e r sa n da n a l y s i so fk 9 一p c f 锄p l i f i e r sd o p e d 、析t l l 黜e a n hi o i l s ”b e 觚e e nu i l i v e r s i t ) ，o fs c i e n c e 肌dt e c h n o l o g ) ro fc h i m 锄dx i a n i n s t i n l t eo fo p t i c sa mp r e c i s i o nm e c h a i l i c so fc a st o g e t l l e r 谢t l l “a n a l y s i so f s e g m e n t e dc l a d d i n g 肋e r 锄p l i f i e r s ”b 咖e e nu i l i v e r s 时o fs c i e n c e 飘dt e c h n o l o g ) r o fc h i n aa n dc i 够u m v e r s i t ) ，o fh o n gk i o n g b ya i l a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fp h o t o n i c c r y s t a l 肋e r sa l l ds e g m e n t e dc l a d d i n g 舶e r s ，w ed e s i 印s e v e r a lu i 们- l a 玛e c o r es i z e s i n 9 1 em o d e 舶e r s 丽t l ll o wl o s s ，a n da i l a l y z et h e 涨e 积hd o p e dm f sb 嬲e do nt h e m o d e lo fr a r ee 抓hd o p e dm f ss i m u l a t i o na i l dm y0 v l ，i ls o 触a r ea _ b o u tm f s 觚l p l i f i e r s t h em a i nr e s e a r c hw o r k 孤1 dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 b a s e d0 nt h ec o n v e n t i o 脚r a r ee a n hd o p e df i b e rm t ee q u a t i o i l st o g e n l e rw i t h t l l en o 肌a l i z e dp o 、rd e n s i 哆a n dp o p u l a t i o nd i s t r i b u t i o n ，m er a t ee q 豫t i o 粥 0 fr a r ee a m ld o p e dm f sa r ed 商v e d d e v e l o p i n gas o r w a r eo fr a r ee a 】池 d o p e dm f sa m p l i f i e r s ，、ep r o v i d e ag o o ds i m u l a t i o nm o d e lo fm f s a m p l i f i e r s 2 w ed e s i 印ap h o t o l l i cc 巧s t a l 肋e ra tac o r es i z eo f2 0 mc o i l s i d e r i n gt h e a d 眺g ei np r o c e s s i n ga n dh i 曲d o p e de o n c e n t r a t i o ni nk 9g l a s s 舳e r s ， o b t a i ni t sp a r a m e t e r ss u c h 嬲：m o d er c 行a c t i n gi i l d e x1 1 c ( ”= 1 5l6 ，m es i n g l e 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 m o d ed i 锄e t e rd = 2l 岬1 ，m o d ea r e a 氏萨3 4 5 8 眦1 2 ，a n dg e ti t sl i m i t e l l 叭c 时r a t i oe n o ri s9 4 7 ，l i m i to 凰e to fi 胁e r h 0 1 ei s0 1 啪 3 w r ea i l a l y z eas e g m e n t e dc l a d d i n gf i b e r ，d i s c u s si t se f i - e c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o n a n dd i s p e r s i o nc u r v e ，a n do b t a i nt h ep a r 锄e t e r so fas e g m e n t e dc l a d d i n gf i b e r w i t hl a 唱es i n g l em o d e ，s m a u 如n d 锄e m mm o d el o s s ，l a 唱et l i g h e rm o d el o s s b a s e do nt 1 1 i sf i b e fw i t he ，+ ( 1 0 p e d ，w ea n a l y z ei nd e t a i lt h ea 1 p l i f i c a t i o n c h 嬲l c t e r i s t i c s ，a n do b t a i ni t st l l r e s h o l dp 啪pp o w e r p u h l pp o w e rd i s t r i b u t i o n a n ds a t u r a t i o no u t p u ts i g n a lp o 、e r f i n a l l yw eo b t a i ni t sn o i s ef i g u r e ，龇l d p r 0 v et h er a i ee 绷hd o p e ds e g m e n t e dc l a d d i n g 舶e r sh a v em a i l ya d v a n t a g e s c o i n p a r i n gw i mc o n v e n t i o l l a l 舳e r ，s u c ha s ：t h es e g m e n t e dc l a d d i n g 舶e r h a s a i lm o d ea r e ao n eh u n d r e dt i m e sl a 玛e rt h a nc o n v e n t i o n a l 肋e r ，i t ss i g n a lg a i n c o m p a r a b l ew i t ht h a to fac o n v e m i o n a le r b i u m d o p e df i b e r ，a n di t s n o i s e f i g u r es a t i s 匆t h er e q u i r e m e n to ff i b e r 锄p l i f i e r s 4 w ea n a l y z et h e 撇p l i f i c a t i o nc h 啪c t e r i s t i c so fy b ”一d o p e ds e g m e n t e d c l a d d i n gf i b e r a n do b t a i ni t st l l r e s h o l dp u r 叩p o w e r p u n l pp o w e rd i s t r i b u t i o n ， s a t u r a t i o no u t p u ts i g n a lp o w c ra n dn o i s ef i g u r e ，b yc o m p 撕n gt h en o n l i n e a r p o w e rt h r e s h o l di nu n i ta r e a 、析mc o n v e n t i o n a ly b j + 一d o p e d 肋e r ，w ep r o v e s e g m e n t e dc l a d d i n g 硒e rc 眦s u p p o r th i 然p o w e r f i n a l l y w ed i s c u s st h e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nh i 曲p o w e r 锄p l i f i e r sa i l d 协e r s t h ei i m o v a t i v er e s u l t si nt i l i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： 1 b yu s i n gt h e 似。一1 e v e la n dt h r e e 一1 e v e lp 聊，a g a t i 。nr a t ee q u a t i o n sa n dp o w e r t i 孤s m i s s i o ne q u a t i o n si nr a r ee a n hd o p e dm i c r o s t r u l c n 肋e r ，c o m b i n gw i m f i n i t ee l e m e n tm 鲥约da n dp 】a n ew a v ee x p a n s i o nm e t h o d ，w ed e s i g na s o 小 ，a r ef o rr a r ee a n hd o p e dm i c r o s m l c 眦f i b e rw i ml a 唱ec o r es i z e ，w i l i c h p v i d eag o o ds i m u l a t i o n 幻o l sf 研m i c r o s 撇砖劢e fa m p l i f i e r s 趵d 】a s e f s w ed e s i g i lah i 曲c o n c e 砷r a t i o ne d o p e dp h o t o n i cc r y s t a l 舶e r 锄p l i f i e r ， w h o s es i n g l em o d ed i 锄舱t e ri s2 1 6 岬，t h em a x i m 啪g a i nc a nb e4 0d ba ta p 姗叩p o w e ro f 5 0 0m w 2 w ed e s i 印am i c r o s t r u c t u r e 硒e r 姗p i i f i e rw i t l le ，a n dy b 3 + d o p e d ， i v 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 a 1 1 a l y z i n gi t sa j l l p l i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si 1 1i i 鼬l i l ，w i l i c hh a sad o z e l l so f t i m e sl a 玛e rm a nc o n v e n t i o n a lf i b e r ，s oc a ns u p p o r ti n u c hh i g h e rp o 、e r t h i s m i c r o s t n j c t u r ef i b e ra i 】叩l i f i e rh a sam a x i m 啪g a i l lo f3 7 d ba ts e v e r a lm e t e r s l e n 驰，a 1 1 di t sn o i s ef i g u r el e s sm a n4d b b yn o r d i n e a rp o w e r 衄e s h o l da i l d d a m a g et l l r e s h o l do ff i b e r ，、d i s s c u s sm e 印p l i c a t i o no fi i l i c r o s t n l c n l r e 舶e r a m p l i f i e ri nc o h e r e n tb e 锄a i l dt 1 1 ep o t e n t i a l 印p l i c a t i o n si nr a r ee a n hd o p e d l l i g hp o w e rf i b e r 卸叩l i f i e r sa n dl 淞e r s k e yw o r d s ：m i c r o s 仇l c t u r ef i b e r ，s e g m e m e dc l a d d i i 玛f i b e r ，h i 曲p o w e rf i b e r 锄p l 讯e r s ，l a r g em o d ea r e a s i n g l em o d ef i b e r ，f i i l i t ee l e n l e n ti n e t h o d ( f e m ) v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得 的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经 发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已 在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有 权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 9 6 3 年，美国光学公司( a m e r i c a no p t i c a lc o r p o r a t i o n ) 的z n i t z e r 和 k o e s t o r 提出了光纤激光器和放大器的构思，1 9 6 6 年，光纤之父高锟博士提出石 英基质阶跃光纤应用于光纤通信的新观点，1 9 6 6 1 9 7 6 光纤处于研究开发阶段， 1 9 7 7 1 9 8 6 进入了实用化阶段，1 9 8 6 年以后到了大规模光纤通信阶段。随着光纤 制造工艺和半导体激光器生产技术日趋成熟，国外许多科研单位和公司如美国光 学公司( a m e r i c a no p t i c a lc o r p o r a t i o n ) 、b e l l 实验室、日本的n t t 、h o y s 以 及俄罗斯的i r ep 0 1 u s 公司均在光纤激光器和放大器研究中取得重要成果，我国 多个科研单位和高校也先后展开了光纤激光器和放大器的研究。 近年来，光纤技术在通信、激光器、放大器、传感等领域越来越广泛的得到 应用。然而，传统阶跃光纤不能完全满足某些领域的应用需求，于是，新型结构 的光纤越来越受到人们的重视。 2 0 世纪7 0 年代，p y e h 等人提出了环形光纤( b r a g g 光纤) 的概念【l 】，1 9 9 2 年， p s t j r u s s e l l 等人提出了光子晶体光纤( p h o t o i l i cc 巧s t a l 丘b e r ；p c f ) 的概念，并 且在1 9 9 6 年o f c 会议上首次发表了他们的研究成果【2 】，2 0 0 1 年k s c l l i a l l g 等人 提出并设计了瓣形光纤【3 】，这一系列新型光纤的提出给光纤领域注入了新的活 力。这些光纤都有一个共同点：横截面折射率为不规则分布，为与传统光纤相区 别，人们统一称之为微结构光纤。随着科技的日益更新，越来越多的领域需要更 高功率更高质量的激光器和放大器，掺杂的微结构光纤作为激光器和放大器的研 究显得尤为重要。 1 1微结构光纤简介 1 1 1 微结构光纤分类 从2 0 世纪7 0 年代环形光纤的概念被提出以来，微结构光纤逐渐走入了人们 的研究视野当中，微结构光纤的种类也变得多样化。常用的微结构光纤有三种： 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 一、多孔微结构光纤 多孑l 微结构光纤又称为光子晶体光纤( p c f ) ，最早于1 9 9 6 年英国b a m 大学的 k n i g h t 等人首次制造了具有光子晶体包层的光纤【4 】。其结构如图1 1 所示，它是在 石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构， 如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。与普通 单模光纤不同，p c f 是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被 称为多孔光纤或微结构光纤。由于p c f 的空气孔的排列和大小有很大的控制余地， 可以根据需要设计p c f 的光传输特性，所以它激起了人们浓厚的兴趣。 【aj 【二jj 、l + c i jk4 0 p、皇j 图1 1 ：p c f 的电子扫描显微镜图。 ( a 卜( d ) 为不同空气孔填充率及排列分布的空气硅包层微结构光纤；( e ) 光子禁带光纤。 p c f 横截面具有周期性微孔结构，并且孔的大小与波长同一个数量级，故可 通过优化设计微孔大小、填充率以及排列等方式获得一系列“奇异”的光学性质。 由于p c f 结构的特殊性，它由于具有一系列“奇异的光学特性而倍受重视【5 培】。与 常规光纤相比，p c f 相对于传统光纤具有独特的优势：全波段单模传输【5 】、高非 线性嘲、大模场面积【7 1 、可控色散特性【8 】等。基于此，p c f 不仅有可能成为比常 规光纤更优异的光传输介质，而且还可以用来制作各种前所未有的、功能新奇的 光子器件，在频率变换【9 1 1 1 、色散补偿【1 2 1 4 】、超连续谱的产生【1 5 1 6 】等领域都有着 很大的应用前景。因此，具有周期结构的p c f 已迅速成为光电子领域的热点【1 7 ，1 8 1 。 根据p c f 的导光原理，p c f 可以分为两类： ( 1 )光子带隙型光子晶体光纤( p g b p c f ) 【1 9 2 0 l ： 如图卜2 ( a ) 所示，包层为沿轴向周期性排列的石英一空气孔结构。合理设计 包层空气孔结构，可以使得包层沿着光纤横截面上存在着光子禁带。当导波频率 在包层禁带范围内时，光在包层不能传播，从而被严格限制在纤芯中传播。纤芯 缺陷材料折射率比包层低，一般为空气，想要在包层中形成光子禁带，对空气孔 的周期性排列要求非常严格，空气孔的间隔、尺寸都要满足一定的条件，文献乜 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 中要求p g b p c f 空气孔总面积与横截面比值在4 0 一5 0 之间，空气孔直径d 与孔间 距人之间的比值约为2 ：3 。目前常用的光纤制备方法是高温拉锥法，因而这种光 纤的制备难度较大，加工工艺要求很高。 ( a )( b ) 图1 2 ：p c f 横截面结构示意图。 ( a ) 空芯p c f ，( b ) 实芯p c f ( 2 )全内反射式光子晶体光纤( t i r p c f ) 1 2 7 1 ： 如图卜2 ( b ) 所示，全内反射式光子晶体光纤其结构与传统光纤类似，不同之 处在于这种光纤的包层结构是多孔结构。中心的实心缺陷为纤芯，包层的周期性 多孔区域形成一种渐变折射率分布，纤芯与包层之间通过引入空气孔形成了一定 的折射率差，使得光在包层区域发生全内反射，从而光可以在纤芯区域传播。 t i r p c f 对包层中的空气孔分布和尺寸要求不是很严格，不需要在包层中形成光 子禁带，因此比较容易拉制。常用的p c f 为t i r p c f 。 二、 b r a g g 光纤 图1 - 3 ：空心b r a g g 光纤横截面结构示意图 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 布拉格光纤( b r a g g 舶e r ) 是一种一维微结构光纤，如图1 3 所示，其纤芯一般 为折射率较低的介质( 通常是空气) ，包层是径向折射率一维高低周期性分布的介 电结构，也可以看作是多层介质镜，光纤的模式由b r a g g 反射束缚在芯层中。b r a g g 光纤的包层区域的高低折射率介质的折射率差一般很大，又被称为全向导波光纤 ( o n m i g u i d c 舶e r ) 【2 2 】或同轴光纤( c o a x i a l 舶e r ) 【2 3 1 。 b r a g g 光纤相对于传统的阶跃光纤和梯度折射率光纤有几个优点： 1 电磁波主要在纤芯的空气区域，因而其传输损耗和材料色散很小； 2 基模场分布圆周方向均匀，传输过程中偏振态不发生变化口4 五5 】； 3 可在很宽波长范围内单模工作； 4 通过结构参数设计、介质材料选取、工作波长确定可使零色散波长位于 单模范围，在传输过程中保持脉冲形状不变； 5 弯曲半径到波长数量级时仍保持良好的导光能力【2 2 2 3 ，2 7 1 等。 不过b r a g g 光纤由于折射率差很大，非线性效应较高，当传输的激光功率很 高时，容易产生非线性，大大影响其作为高功率激光器和放大器性能。 三、瓣形微结构光纤 瓣形微结构光纤又称为瓣形光纤( s c f ) ，是一种新型微结构光纤，最早由v r a l s t o g i ，k s c h i a l l g 等人于2 0 0 1 年提出【3 】，并在2 0 0 4 年拉制出了第一根瓣形微 结构光纤口8 1 。其结构图如图1 4 所示，s c f 纤芯为一种高折射率介质，包层为高 低折射率介质相互交错周期排列的瓣形分布。 图l - 4 ：s c f 结构示意图 瓣形微结构光纤突出的优点在于具有大的单模尺寸【2 9 。3 1 】。同光子晶体光纤不 同的是，瓣状光纤高低折射率介质的折射率差非常小，非线性系数小，便有效地 4 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 减小了偏振模色散，适合于高速信号传输。此外，由于其大单模尺寸，在高功率 的情况下，单位面积的功率比常规光纤小很多，能够有效遏制非线性效应，减少 高功率时光纤端面损伤，因此瓣状光纤在高功率传输、高功率放大器和激光器中 有很大的用途。 1 1 2 微结构光纤特性 微结构光纤作为一种新型光纤，有许多独特特性，在光纤激光器和放大器应 用中也有与众不同的优势。本论文主要研究微结构光纤在激光器和放大器中的应 用，且使用了两种微结构光纤：多孔微结构光纤和瓣形微结构光纤，因此，在此 只介绍这两种微结构光纤的有利于激光器和放大器应用方面的优势特性。 一、全波段单模特性 单模特性是光纤一个非常重要的特性。为了表征一根光纤的单模特性，传统 光纤使用了v 参量【3 2 3 4 】： ( 兄) ：孚厢， 其中a 为光纤纤芯半径，心，分别为纤芯和包层折射率。常规阶跃光纤 单模条件为( 名) 2 4 0 5 。对于光子晶体光纤，同样也可以定义一个v 参量， 其表达式： ( 五) ：孚厄丽而 式中a 为光子晶体光纤孔间隔， ( a ) ，( 允) 分别为光子晶体光纤基模本征模 折射率和空气孔包层第一特征模式折射率。光子晶体光纤单模条件为 ( 五) 万3 2 3 4 1 。 光纤材料折射率相对于波长的变化比较缓。传统光纤中纤芯和包层折射率几 乎为一定值，所以其v 值与波长差不多成反比，如果工作波长太小，v 值变大， 容易出现多模。传统单模光纤的截止波长一般大于1 岫。而对于光子晶体光纤中， 当工作波长较小时，光场更集中的被限制在纤芯区域，只有很少部分进入包层的 空气孔，于是包层的特征模式折射率( 旯) 上升，更加接近于纤芯折射率他( a ) ， 随着波长变短，纤芯和包层的折射率差减小，与波长减小相互抵消。故此v 值的 波长依赖性减弱，使得归一化频率v 参量趋于定值，从而可以在更宽的带宽范围 5 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 内实现单模工作。光子晶体光纤中单模工作波段可以达到3 3 0 唧1 5 5 0i l i l l 【1 1 1 ，总 带宽达到了1 2 0 0 胁。从而为波分复用增加信道数提供了充足的资源。p cf 的全 波段单模特性并不依赖于光纤的绝对尺寸，光纤放大或缩小照样可以保持单模传 输 3 5 ，3 6 1 。 另一种微结构光纤瓣形微结构光纤( s c f ) 不能简单的用v 参量来表征其 单模特性，这种光纤实际上是一种泄露模光纤，通过合理设置光纤结构参数，高 阶模的泄露模损耗一般为基模的2 个数量级以上【3 1 1 ，仅需要几米的长度就能将高 阶模泄漏出去，而基模的损耗却可以忽略。这点可以用瓣形微结构光纤的等效折 射率曲线来解释，具有很强的波长依赖性。为了解s c f 的单模特性，k s c h i a j l g 教授等人利用径向等效折射率法详细分析了s c f 在不同工作波长下的单模特性 【3 l 】 o 图1 5 ( a ) 给出了他们得到的s c f 等效折射率随波长的变化关系蓝线。当工 作波长较小时，s c f 对光场的限制作用更强，随着波长的增大，模式折射率逐渐 减小，包层最大等效折射率也逐渐减小。从图中我们可以发现，当波长从o 4 p m 变化到1 8 “m 时，l p o l 的模式折射率始终高于包层最大等效折射率，而l p l l 模的 模式折射率始终低于包层最大等效折射率，因而在全波段，s c f 能够保持良好的 单模特性。图1 5 ( b ) 给出了s c f 泄露模损耗随波长的变化关系，可以看到，在 4 0 0i l n l 到18 0 0m n 范围内，l p ll 模的泄露模损耗始终大于l p o l 模两个数量级左右， 只需要几米的长度，就能实现4 0 0 姗1 8 0 0 啪的全波段单模传输，总带宽达到 1 4 0 0n m 。 图1 5 ；( a ) s c f 等效折射率随波长的变化关系( b ) s c f 泄露模损耗与波长关系图 二、大模场面积 微结构光纤可获得非常大的模场面积，可以根据需要灵活地设计光纤模场面 6 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 积。例如多孔微结构光纤可通过改变孑l 间距调节有效模场面积，调节范围可到8 0 0 p m 2 【l o 1 3 1 。瓣形微结构光纤可通过光纤瓣数、折射率差、折射率系数、内外半径 来调节有效模场面积，调节范围可达9 0 0 肛m 2 【3 0 训】。具有大模场面积的光纤可降 低功率密度和非线性效应，并提高连续波和脉冲激光器系统的标定功率，这对 开发光纤激光器和放大器非常有利，即能经受更高的功率，又不会达到使器件损 伤的功率密度。大芯径光纤还可调节波导色散，使单模截止移到更短的波长，并 扩大有用的传输光谱。 三、色散可调特性 对于光子晶体光纤而言，其一个重要特点是其可以灵活控制的色散特性。就 光子晶体光纤的结构特征来说，它对波导色散有较高的控制性。常规光纤是在石 英玻璃中掺杂而在截面内形成一定的折射率分布制成的，由于材料不匹配会造成 光纤损耗，因此纤芯和包层的折射率差不能过大光子晶体光纤由单一材料( 纯二 氧化硅) 构成，它不存在常规光纤的材料不匹配现象。通过合理调节空气孔的尺 寸和间距，可以获得较大的折射率差，从而更有效的控制波导色散。因此，通过 设法改进p c f 的波导结构就可以实现各种期望的色散特性。光子晶体光纤的一个 重要特点是零色散点可以向短波长大大推进。传统常规单模光纤的零色散点通常 在1 3 1 0 i l i i l 处。而通过合理的调节p c f 的气孔大小和间距，可以将零色散点移至 8 0 0i l i l l 左右网。零色散点向短波长移动，使得p c f 能够在波长低于1 3 “m 获得反 常色散( 正色散) ，这是传统阶跃光纤无法做到的，该反常色散特性第一次为短波 光孤子传输提供了可能。另外，通过适当设计空气孔的参数，可以在极宽的波段 范围内具有平坦色散 瓣形微结构光纤中，色散特性也可以灵活调节。基于微结构瓣形微结构光纤 结构的特殊性，它是由高折射率介质n l 作纤芯，高低折射率介质( n l ，n 2 ) 在角向周 期性交错排列作包层，形成一种花瓣形结构。其包层的折射率分布可以等效成梯 度折射率分布。通过改变n l ，瓣数n ，相对折射率差，折射率系数y ，内半径a 和外半径b ，得到不同的色散曲线。k s c h i a i l g 等人就通过设置合理的光纤参数 【3 1 1 ，使得瓣形微结构光纤在全波段单模，单模直径达到3 4 岬，并且基模的色散 损耗始终小于lo 五d b m 。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 微结构光纤放大器及激光器 1 9 6 1 年s i l i t z e r 研制了第一台光纤激光器【3 8 】，1 9 6 4 年k o e s t e r 和s n i t z e r 合作研究 光纤放大器【3 9 1 。到2 0 世纪8 0 年代后期，许多研究小组开始研究光纤激光器和放 大器，使得这些领域取得了空前的发展。目前涉及到的研究领域有：稀土掺杂离 子【4 0 舢】和光纤非线性增益f 4 5 1 ，二极管激光器泵浦的光纤激光器【4 6 - 4 引，掺钕和掺 铒的光纤激光器【4 9 。6 0 】，光纤激光器的调q 、锁模、单纵模输出以及光纤放大器方 面的研究工作【6 1 也】，用于1 0 5 “m 波段激光核聚变的掺镱光纤激光器等【6 3 6 4 1 ，此外， 德国汉堡技术大学，n t t ，h o y a ，日本的三菱，美国的p o l 撕o d c o 印o r a t i o n ，斯坦福 大学和g t e 等也在这方面的研究取得了显著成果【6 ”0 1 。从1 9 8 9 年开始，对锁模 光纤激光器的研究掀起新的热潮，这类激光器能产生超短脉冲，并在光纤通信， 超快现象、光纤传感、惯性约束核聚变等方面有应用价值【7 卜7 4 1 。 1 2 1 微结构光纤放大器和激光器的基本原理 微结构光纤放大器和激光器的基本结构与一般光纤放大器和激光器大体相 同。对于微结构光纤激光器，也是由增益介质、谐振腔与泵浦源组成的，如图1 6 所示。增益介质为掺有稀土离子的微结构光纤，掺杂微结构光纤放置在两个反射 率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤；谐振腔 是两个介质镜构成的，实际上可以将介质膜直接镀在光纤端面上，也可以采用定 向耦合器或者光纤光栅等方式构成谐振腔，以形成激光振荡。 浦兜 l j 。 1 、1 n 工k 一 一；，- 一 、- 。、l 一- 广j r 澈财输踵 图l 一6 ：微结构光纤激光器的基本结构示意图 微结构光纤激光器基本原理如下：泵浦光通过稀土掺杂微结构光纤时，光纤 中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到激光上能级，产生粒子数反转。反转后的粒子 以受激辐射或自发辐射跃迁到激光下能级，即出现激光过程。由于受激发射是一 种放大过程，要维持受激发射的增益，首先必须保证有足够的反转粒子数，泵浦 是实现粒子数反转的必要条件。泵浦由外部较高能量光源提供。由于泵浦能量高 于激射能量，所以激射的光子的波长应比泵浦光子的波长长，这一特点为微结构 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 光纤激器的实用化提供十分有利条件，即可以采用廉价的、成熟的g a a s 半导体 激光器作为泵浦光源，从微结构光纤激光器获得1 0 5 p m 、1 3 “m 、1 5 “m 和2 3 岬 的激光输出。 f i r 嚣d 脚 _ _ _ 专 p 魄) - e d f i 一片：叶名 参田 ，( 五) 一：胝h 婚r d ：p 嘲申1 7 _ _ _ _ _ _ _ _ l i 一_ _ l i 。 巧一； ：亭五 图l 7 ：微结构光纤放大器的基本结构示意图 微结构光纤放大器与激光( 振荡) 器基于同一物理过程( 受激辐射的光放大) ， 其主要区别是激光放大器没有谐振腔，见图1 7 。工作物质在泵浦光作用下，处 于粒子数反转状态，当信号光通过它时，由于入射光频率与放大介质的增益谱线 相重合，故激发态上的粒子在外来信号光的作用下产生受激辐射，这种辐射叠加 到外来信号光上而得到放大。激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子数， 以保证信号光通过它时得到的增益大于介质内部的各种损耗。另外，为了得到共 振放大，要求放大介质的能级结构与输入的信号光相匹配。 1 2 2 微结构光纤放大器和激光器的研究历史和现状 微结构光纤放大器和激光器在最近几年受到了众多国内外科研单位极大的 关注。在本论文所使用的两种微结构光纤中，瓣形微结构光纤放大器和激光器是 我们与香港城市大学合作进行分析研究，多孔微结构光纤( 光子晶体光纤) 激光器 和放大器的研究是目前一个热门研究课题。微结构光纤激光器和放大器除了具有 光纤激光器放大器的优点之外，还有一些常规光纤无法获得的独特优点，具有很 大的发展潜力。其中对于光纤激光器和放大器应用来说最大的优势是微结构光纤 具有大模场面积( 可达5 0 0 “m 2 以上) ，不但可以避免非线性光学效应的产生【7 5 7 6 1 ，而 且还可以提高泵浦光的耦合效率、实现低损耗单模传输【7 7 1 ，适用于高功率激光 器的研制，在材料加工、光通讯等领域有极大的应用潜力【7 8 - 8 5 1 。 此处主要介绍多孔微结构光纤激光器( p c f l ) 和放大器的研究背景。随着光子 晶体光纤结构设计、工艺制作、提高功率和性能方面的不断发展，已经研制出了 掺y b 双包层的p c f l 之外，还开发出侧面泵浦的双包层p c f l 、高偏振的p c f l 、 大数值孔径p c f l 、聚合物p c f l 、基于p c f 的脉冲光源及全光纤p c f 喇曼激光器 9 一弘曩 图1 9 ：镀金膜多孔微结构光纤表面等离子增强效应 图1 9 是a h a s s a i l i 【1 0 4 】等人分析的多孔微结构光纤表面等离子增强效应结果 图。其中金属膜为金膜，厚度为4 0 姗，小孔间距人2 肛1 ，d l = o 6 人，d 2 = o 8 人， 填充液体为水n - 1 3 3 ，中心小孔d c o 他= 0 4 5 人。图( a ) 中金膜被镀在第二层空气孔的 内壁上，通过合理的设计空气孔的结构，使得光波限制在纤芯区域传播，并且在 传播一定长度之后一部分进入第二层空气孔中。当金膜的折射率与导模折射率一 致时，便引起表面等离子体共振。图1 1 0 给出了镀金膜多孔微结构光纤损耗谱( 结 构如图1 9 ( a ) ) ，当外部介质是水时( n - 1 3 3 ) 时，给出了两个等离子体共振峰位置 扣5 6 0n m 和瑚5 0 姗，图1 9 ( b ) 和图1 9 ( c ) 分别给出了外部介质为水时这种结构光 纤的第一表面等离子体共振峰( 持5 6 0i m d 和第二表面等离子体共振峰( 扣9 5 0r u n ) 的模场分布，从图中可以发现，在第二层空气孔内壁靠近中心处产生了光场局域 增强，证明了表面等离子体增强效应成功被激发。图1 9 ( d ) 是在第一层小孔外面 挖空一段，镀上金膜，图1 9 ( e ) 是这种结构光纤在扣6 5 0 姗处的表面等离子体增 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 强模场分布图，图中很明显看到了镀膜层发生光场增强。 言 。 蟊 旦 磬 一 天姬m ) 图1 1 0 ：镀金膜多孔微结构光纤损耗谱 对于光纤表面等离子体增强应用来说，最困难的是光纤的模式与金属膜之间 的模式匹配，传统光纤通过光纤的高阶模与金属膜实现模式匹配，为了让高阶模 更好的耦合入金属膜，光纤包层被剥去，或者在光纤包层处刻上一层光栅【l o 自1 1 们。 微结构光纤与传统光纤